JP6818263B2 - 破面解析装置および破面解析方法 - Google Patents

Description

本発明は、工業製品などの破断原因を解明する際に、被解析物の破面を解析する破面解析装置および破面解析方法に関するものである。

従来、工業製品などの被解析物の破断原因を解明する際には、熟練者が破面を目視して判断していたが、熟練を要することなく誰にでも容易に破断原因を解明できることが望まれている。そこで、下記特許文献１に開示されるように、材料の破断部における破面画像のフラクタル次元を演算し、その演算結果と材料に関する特性データとから破断部の応力拡大係数範囲、力学的負荷量または化学的負荷量を推定する材料破面解析装置が提案されている。この材料破面解析装置では、材料の破面画像の画像データから、どのような応力がどの程度加えられたかを推定することができる。

特開２０００−２６６６１３号公報

しかしながら、フラクタル次元の場合、異なる破面性状であっても、同じ値のフラクタル次元が算出されることがある。従って、フラクタル次元を用いる従来の装置では、破面画像のフラクタル次元と特性データとを照合した際に、間違った推定結果を導くおそれがある。すなわち、材料の破面性状を正確に識別することができないおそれがある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、熟練を要することなく誰にでも容易にかつ正確に被解析物の破面の解析を行うことができる破面解析装置および破面解析方法を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る破面解析装置は、被解析物の破面の全部または一部の濃淡を測定する測定手段と、前記破面の濃淡測定位置それぞれについて、その位置の濃淡と他の位置の濃淡との濃淡差を算出する濃淡差算出手段と、前記濃淡差算出手段による算出結果を用いてリカレンスプロットを作成する作成手段と、前記作成手段で作成された前記リカレンスプロットと、予め設定された基準破面の濃淡に基づき作成された基準リカレンスプロットとの類似度を正規化相互相関関数により算出する類似度算出手段とを備えることを特徴とする。

また、本発明に係る破面解析装置は、前記測定手段は、前記被解析物の破面の一部の濃淡を測定するものであり、前記破面のある位置とそれと異なる位置とを結ぶ直線上の濃淡を測定することを特徴とする。

さらに、本発明に係る破面解析装置は、前記直線は、互いに平行に配置される複数の直線であり、前記各直線において前記リカレンスプロットを作成し、前記各直線について、前記リカレンスプロットと前記基準リカレンスプロットとの類似度を正規化相互相関関数により算出することを特徴とする。

本発明に係る破面解析装置によれば、解析対象である被解析物の破面の濃淡に基づいて濃淡差算出手段および作成手段により作成されるリカレンスプロットと、予め設定された基準破面の濃淡に基づき作成された基準リカレンスプロットとの類似度を類似度算出手段により算出するので、被解析物の破面を容易に解析することができる。リカレンスプロットは、破面性状が異なれば必ず異なるものである。従って、被解析物の破面のリカレンスプロットと基準リカレンスプロットとの類似度を算出することで、被解析物の破面を正確に解析することができる。

また、本発明に係る破面解析装置によれば、被解析物の破面の任意の二点間を結ぶ直線上の濃淡を測定するので、濃淡の測定を容易に行うことができる。

また、本発明に係る破面解析装置によれば、複数の直線それぞれについて、リカレンスプロットと基準リカレンスプロットとの類似度を正規化相互相関関数により算出するので、被解析物の破面の解析をより正確に行うことができる。

本発明の破面解析装置の一実施例の概略構成図である。 図１の破面解析装置の撮像手段により取得された白黒画像の一例を示す図である。 白黒画像の所定箇所の濃淡データを示すグラフである。 図１の破面解析装置により作成されるリカレンスプロットを作成する状態を示す図であり、濃淡データが並べられた状態を示す説明図である。 図１の破面解析装置により作成されるリカレンスプロットを作成する状態を示す図であり、図４の状態から所定の箇所が着色された状態を示す説明図である。

以下、本発明の具体的実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の破面解析装置の一実施例の概略構成図である。本実施例の破面解析装置１は、工業製品などの被解析物２の破断原因を解明する際に被解析物２の破面を解析する装置である。被解析物２は、特に問わないが、たとえば金属製のばねとされる。図１に示されるように、破面解析装置１は、撮像手段３、測定手段４、濃淡差算出手段５、作成手段６および類似度算出手段７を備える。

撮像手段３は、被解析物２の破面を撮像する手段であり、本実施例では電子顕微鏡が好ましい。これは、被解析物２の破面の微細なパターンを撮像するのに適しているからである。なお、撮像手段３は、電子顕微鏡に限定されるものではなく、被解析物２の破面の画像を取得できるものであればよい。たとえば、被解析物２を撮影して画像を取得するカメラでもよい。

測定手段４は、被解析物２の破面の全部または一部の濃淡を測定する手段であり、本実施例では、被解析物２の破面のある位置とそれと異なる位置とを結ぶ直線上の濃淡を測定する。すなわち、直線上の複数の位置の濃淡を測定するものである。この直線は、互いに平行に配置される複数の直線としてもよい。なお、本実施例の測定手段４は、撮像手段３により撮像された被解析物２の破面の画像の全部または一部の濃淡を測定するものであり、被解析物２の破面の画像の前記直線上の濃淡を測定する。

濃淡差算出手段５は、被解析物２の破面の濃淡測定位置それぞれについて、その位置の濃淡と他の位置の濃淡との濃淡差を算出する手段である。具体的には、ある測定位置の濃淡とそれ以外の全ての測定位置の濃淡との濃淡差を算出する。そして、これが全ての測定位置それぞれについて行われる。なお、本実施例の濃淡差算出手段５は、撮像手段３により撮像された被解析物２の破面の画像の濃淡測定位置それぞれについて前記濃淡差を算出するものであり、前記直線上の測定位置それぞれについて前記濃淡差を算出する。この直線が複数の場合には、各直線において前記濃淡差が算出される。

作成手段６は、濃淡差算出手段５による算出結果を用いてリカレンスプロットを作成する手段である。この作成手段６により、前記濃淡差を用いてリカレンスプロットを描くことができ、濃淡を示すデータの有する特徴を視覚化することができる。なお、直線が複数の場合には、各直線においてリカレンスプロットが作成される。

類似度算出手段７は、作成手段６で作成されたリカレンスプロットと基準リカレンスプロットの類似度を正規化相互相関関数により算出する手段である。ここで、基準リカレンスプロットは、予め設定された基準破面の濃淡に基づき作成されるものであり、記憶手段８に記憶されている。本実施例では、基準リカレンスプロットは、基準破面の画像の濃淡に基づき作成されるものである。図示例では、類似度算出手段７により算出された結果は、記憶手段９に記憶される。なお、直線が複数の場合には、各直線について、作成手段６により作成されたリカレンスプロットと基準リカレンスプロットとの類似度が正規化相互相関関数により算出される。

次に、本実施例の破面解析装置１を用いた破面解析方法について説明する。図２は、本実施例の破面解析装置の撮像手段により取得された白黒画像の一例を示す図であり、図３は、その白黒画像の所定箇所の濃淡データを示すグラフである。図４から図５は、本実施例の破面解析装置により作成されるリカレンスプロットの一例の作成状態を時系列に示す説明図である。

本実施例では、まず、撮像手段３により、被解析物２の破面の白黒画像１０が取得される。この際、被解析物２の破面全体の白黒画像を取得してもよいが、本実施例では、被解析物２の破面の内、最も特徴が表れている箇所の白黒画像１０が取得される。

次に、測定手段４により、取得された白黒画像１０の全部または一部の濃淡が測定される。本実施例では、取得された白黒画像１０の上下方向略中央部において、白黒画像１０の左端部と右端部とを結ぶ直線１１上の濃淡が測定される。この濃淡の測定は、従来公知の方法により行われる。

被解析物２の破面の白黒画像１０から読み取った濃淡を表す数値データは、（ｘ_１，ｘ_２，ｘ_３，…，ｘ_Ｎ）のように並べられる。ここで、数値データは、白黒画像１０の黒が０とされ、白が２５５とされる。なお、数値データは、後述するリカレンスプロットの時系列データとされるが、本実施例の場合、時間には関係なく、白黒画像１０の各測定位置における濃淡データとされる。図３は、濃淡データのグラフであり、白黒画像から測定された濃淡に相当する。このデータを用いて、以下に示すとおりに計算を行い、その計算結果を色分けして示したものがリカレンスプロットとされる。本実施例では、前記直線１１上の２１箇所（ｘ_１からｘ_２１）の測定位置の濃淡が以下の場合について説明する。

これらのデータ間にどのような関係があるかを調べるために、濃淡差算出手段５によって、白黒画像１０の前記直線１１の濃淡測定位置それぞれについて、その位置の濃淡と他の位置の濃淡との濃淡差が算出される。これには、濃淡データのユークリッドノルムである｜ｘ_ｉ−ｘ_ｊ｜が用いられる。具体的には、ｘ_１からｘ_２１のそれぞれを基準として、その基準値と他の値との差を算出する。なお、その差は、絶対値が用いられる。

ｘ_１を基準とした場合、ｘ_１とｘ_１，ｘ_２とｘ_１，ｘ_３とｘ_１，…，ｘ_２１とｘ_１との間の関係を調べるために、２つのデータを引き算した値であるｘ_１−ｘ_１，ｘ_２−ｘ_１，ｘ_３−ｘ_１，…，ｘ_２１−ｘ_１を求めると、

となり、以下の式（１）で表される。

ｘ_２を基準とした場合、ｘ_１とｘ_２，ｘ_２とｘ_２，ｘ_３とｘ_２，…，ｘ_２１とｘ_２との間の関係を調べるために、２つのデータを引き算した値であるｘ_１−ｘ_２，ｘ_２−ｘ_２，ｘ_３−ｘ_２，…，ｘ_２１−ｘ_２を求めると、

となり、以下の式（２）で表される。但し、絶対値とされる。

ｘ_３を基準とした場合、ｘ_１とｘ_３，ｘ_２とｘ_３，ｘ_３とｘ_３，…，ｘ_２１とｘ_３との間の関係を調べるために、２つのデータを引き算した値であるｘ_１−ｘ_３，ｘ_２−ｘ_３，ｘ_３−ｘ_３，…，ｘ_２１−ｘ_３を求めると、

となり、以下の式（３）で表される。但し、絶対値とされる。これらと同様にして、ｘ_４からｘ_２１のそれぞれを基準とした場合について計算すると、以下の式（４）から式（２１）で表される。

次に、作成手段６により、濃淡差算出手段５による算出結果を用いてリカレンスプロットが作成される。リカレンスプロットの横軸は、データの個数、すなわち白黒画像１０の位置を左から右へ並べて描くものである。リカレンスプロットの縦軸は、データの個数、すなわち白黒画像１０の位置を下から上へ並べて描くものである。従って、図４に示されるように、式（１）が横軸の最も下側に並べられ、その上に式（２）から式（２１）が順次並べられることになる。

ここで、図５に示されるように、予め設定された閾値以上の場合には、着色される。本実施例では、閾値が６とされ、６以上の箇所が着色される。図５では、着色箇所１２を実線で囲んで示している。

これが、求めるリカレンスプロットとされる。図５に示されるように、リカレンスプロットは、原点を通る右上がりの対角線に対して、左上部分と右下部分とが対称とされる。その右上がりの対角線上の数値は、全て同じ数値（本実施例ではゼロ）とされる。

そして、類似度算出手段７により、作成手段６で作成されたリカレンスプロットと予め設定された基準リカレンスプロットとの類似度が正規化相互相関関数により算出される。基準リカレンスプロットは、予め設定された基準破面の白黒画像の濃淡に基づき作成されるものであり、被解析物２の破面の前述したリカレンスプロットと同様にして作成される。基準破面は、被解析物２と同一の材質のものの破面であり、本実施例では、ディンプル、リバーパターン、ストライエーションおよび粒界割れを示す破面とされる。

基準リカレンスプロットを作成するには、まず、基準破面の白黒画像の上下方向略中央部において、白黒画像の左端部と右端部とを結ぶ直線上の濃淡が測定される。そして、被解析物２のリカレンスプロットと同様にして、基準破面の濃淡測定位置それぞれについて、その位置の濃淡と他の位置の濃淡との濃淡差が算出され、その算出された濃淡差を用いて基準リカレンスプロットが作成される。図１に示されるように、基準リカレンスプロットは、被解析物２の破面の解析を行う前に、記憶手段８に予め記憶されている。

この基準リカレンスプロットと被解析物２の破面のリカレンスプロットとの類似度は、以下の式（２２）に示す正規化相互相関関数で計算される。計算結果が１に近いほど両者が似ていることを示す。このようにして算出された類似度は、ディスプレイなどの表示手段に表示されたり、記憶手段９に記憶されたり、また、所定の形式でプリントアウトされたりする。

なお、Ｔ（ｉ，ｊ）は、被解析物２の破面の時系列データを表しており、Ｉ（ｉ，ｊ）は、基準破面の時系列データを表している。ここで、被解析物２の破面の画像から得られた白黒濃淡度のデータ数は、画像横幅方向の画素数と同一である。本実施例では、画像の横幅方向の画素数は、６４０画素に統一している。このデータが、正規化相互相関関数の計算式の中のＴ（ｉ，ｊ）になる。また、基準破面の画像から得られた白黒濃淡度のデータ数は、画像横幅方向の画素数と同一であり、本実施例では、画像の横幅方向の画素数は、６４０画素に統一している。このデータが、正規化相互相関関数の計算式の中のＩ（ｉ，ｊ）になる。実際には、被解析物２の破面および基準破面はそれぞれ、画像の横方向一直線上で白黒濃淡データを求めているので、Ｔ（ｉ，ｊ）およびＩ（ｉ，ｊ）のｉが１だけで、ｊが０〜２５５まで変化することになる。

本実施例の場合、被解析物２の破面のリカレンスプロットと基準破面のリカレンスプロットの類似度が正規化相互相関関数により算出される。従って、相応の知識と経験とが必要であった破面の識別を自動で行うことができ、熟練者でなくとも容易に破面の解析を行うことができる。

また、本実施例の場合、被解析物２の破面と基準破面とは、それぞれ対応するリカレンスプロット同士が比較される。フラクタル次元を用いた比較では、異なる破面性状であっても同一の値が算出されるおそれがあるが、リカレンスプロットを用いた本実施例の場合では、そのような問題が生じない。従って、本実施例によれば、被解析物２の破面を正確に解析することができる。

さらに、本実施例の場合、被解析物２の破面の白黒画像１０の左端部と右端部とを結ぶ直線１１上の濃淡が測定される。従って、画像の領域の全ての濃淡を測定する場合と比較して、濃淡の測定を容易に行うことができる。これにより、リカレンスプロットの作成などは、少ない白黒情報を用いてなされることになるので、処理速度の高速化を実現することができる。

本発明の破面解析装置は、前記実施例の構成に限らず、適宜変更可能である。たとえば、前記実施例では、被解析物２の破面の白黒画像１０の濃淡測定は、一本の直線上の濃淡を測定してなされたが、これに限定されるものではなく、複数の直線のそれぞれの直線上の濃淡を測定してなされてもよい。この場合、それぞれが白黒画像１０の左右方向に沿う複数の直線が互いに平行に配置され、各直線において前述したようにリカレンスプロットが作成される。そして、作成された複数のリカレンスプロットそれぞれと前述した基準リカレンスプロットとの類似度が正規化相互相関関数により算出され、被解析物２の破面の識別がなされる。このように各直線それぞれについて類似度が算出されるので、被解析物２の破面の識別をより正確に行うことができる。

また、前記実施例では、白黒画像１０の左右方向に沿う直線１１上の濃淡が測定されたが、白黒画像１０の上下方向に沿う直線上の濃淡を測定してもよい。典型的には、白黒画像１０の左右方向略中央部において、その白黒画像１０の上端部と下端部とを結ぶ直線上の濃淡が測定される。この場合、直線は、一本であってもよいし、複数であってもよい。複数の場合には、それぞれが互いに平行に配置される。また、前記実施例では、被解析物２の破面の白黒画像１０の一部である直線１１上の濃淡を測定したが、白黒画像１０の全部の濃淡を測定してもよい。さらに、前記実施例では、被解析物２の破面の白黒画像１０の濃淡を測定したが、これに限定されるものではなく、被解析物２の破面から直接濃淡を測定してもよい。

本発明は、工業製品などの被解析物の破面を解析する装置および方法に好適に適用されるものである。

１ 破面解析装置
２ 被解析物
４ 測定手段
５ 濃淡差算出手段
６ 作成手段
７ 類似度算出手段
１１ 直線

Claims (3)

1. 被解析物の破面の全部または一部の濃淡を測定する測定手段と、
   前記破面の濃淡測定位置それぞれについて、その位置の濃淡と他の位置の濃淡との濃淡差を算出する濃淡差算出手段と、
   前記濃淡差算出手段による算出結果を用いてリカレンスプロットを作成する作成手段と、
   前記作成手段で作成された前記リカレンスプロットと、予め設定された基準破面の濃淡に基づき作成された基準リカレンスプロットとの類似度を正規化相互相関関数により算出する類似度算出手段と
   を備えることを特徴とする破面解析装置。
2. 前記測定手段は、前記被解析物の破面の一部の濃淡を測定するものであり、前記破面のある位置とそれと異なる位置とを結ぶ直線上の濃淡を測定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の破面解析装置。
3. 前記直線は、互いに平行に配置される複数の直線であり、
   前記各直線において前記リカレンスプロットを作成し、
   前記各直線について、前記リカレンスプロットと前記基準リカレンスプロットとの類似度を正規化相互相関関数により算出する
   ことを特徴とする請求項２に記載の破面解析装置。

Images